不同粉磨工藝對(duì)粉煤灰顆粒群分布特征的影響

鄒紅生， 唐凱靖， 楊 飛， 曾 玻， 陳思潔， 陳海焱

(1. 西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川綿陽621010； 2. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系， 四川綿陽621000)

超細(xì)粉體的制備主要是通過固相法中的機(jī)械粉碎法來實(shí)現(xiàn)大批量的工業(yè)生產(chǎn)[1-2]。機(jī)械粉碎方法中，球磨機(jī)是工業(yè)中普遍使用的一種粉碎設(shè)備，主要利用物料自身的勢(shì)能和動(dòng)能，使粉磨物料呈拋物線降落的過程中，被筒體中高速運(yùn)動(dòng)的鋼球劇烈沖擊、研磨而被粉碎[3-4]。該工藝的不足之處在于，粉磨過程伴隨著高能耗和高鐵損，且不能粉碎黏性或濕度較大的物料。蒸汽動(dòng)能磨是近年來發(fā)展起來的一種新型超細(xì)粉體的加工設(shè)備，其以過熱蒸汽為動(dòng)力和粉磨介質(zhì)，帶動(dòng)物料高速運(yùn)動(dòng)并相互碰撞，粉碎至要求細(xì)度即可被分級(jí)輪分離，后隨氣流被除塵器收集而得[5-6]。蒸汽動(dòng)能磨設(shè)備加工簡單，生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)成品的規(guī)?；a(chǎn)，不僅可以粉磨含水率不高于50%的濕物料，也可干式粉磨高純加工各種物料；同時(shí)，成品粒徑動(dòng)態(tài)可調(diào)，粒度分布可實(shí)現(xiàn)按需調(diào)整[7-8]。

粉煤灰已成為現(xiàn)代混凝土組成中不可缺少的第六組分，其加入不僅可顯著改善混凝土的和易性，改善后期力學(xué)性能，且對(duì)耐久性的提升大有裨益。這主要是由于粉煤灰具有一定的火山灰活性，可與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠，提高漿體強(qiáng)度和體系的密實(shí)度[9-10]。 研究表明，將粉煤灰進(jìn)行超細(xì)粉碎，不但可以有效提高水泥漿體的早期強(qiáng)度，同時(shí)超細(xì)粉煤灰顆粒還可以更好地發(fā)揮其填充效應(yīng)，進(jìn)一步提高漿體的密實(shí)度，減小其孔隙率[11-13]。

目前粉煤灰的細(xì)化仍然以球磨為主，粉磨效率低，成本高，且由于磨細(xì)粉煤灰顆粒粒度分布不均等原因，故通過磨細(xì)的技術(shù)措施提升粉煤灰的活性受到很大限制。

本文中以粉煤灰為研究對(duì)象，通過對(duì)球磨工藝和蒸汽動(dòng)能磨粉碎工藝所得的超細(xì)粉煤灰的粉體性能進(jìn)行表征和比較，明確不同粉碎工藝對(duì)超細(xì)粉煤灰顆粒群分布特征的影響規(guī)律，為超細(xì)粉煤灰的生產(chǎn)和加工提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

1)水泥，選用山東魯城水泥有限公司生產(chǎn)的P·I 42.5硅酸鹽水泥，其相關(guān)性能見表1。

表1 水泥的性能參數(shù)

2)粉煤灰，選用貴州某電廠排放的粉煤灰，粒徑D50=24.5 μm。

1.2 超細(xì)粉煤灰的制備

采用蒸汽動(dòng)能磨粉碎工藝和球磨工藝對(duì)粉煤灰原料(記為FA0)進(jìn)行超細(xì)粉碎。粉碎設(shè)備有：西南科技大學(xué)與四川省綿陽流能粉體設(shè)備有限公司聯(lián)合研發(fā)的LNGS-80型蒸汽動(dòng)能磨，工藝示意圖見圖1；無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SM-500試驗(yàn)?zāi)?球磨機(jī))。

1—鍋爐；2—加熱器；3—加料倉；4—超音速噴管；5—粉碎腔；6—袋式除塵器；7—引風(fēng)機(jī)；8—分級(jí)機(jī)。圖1 蒸汽動(dòng)能磨工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam jet milling process

在蒸汽動(dòng)能磨的粉碎壓力為0.5 MPa、 蒸汽溫度為260 ℃、 分級(jí)輪轉(zhuǎn)速分別為300、 1 200 r/min條件下， 將FA0分別粉碎至D50為11.6、 5.14 μm的2種粒徑， 分別記為Z1和Z2； 采用球磨機(jī)分別球磨30、 80 min， 得到2種平均粒徑與蒸汽動(dòng)能磨制備的成品相近的粉煤灰， 分別記為Q1和Q2， 化學(xué)組分見表2。

表2 水泥和粉煤灰的化學(xué)組分

1.3 方法

1.3.1 粉煤灰顆粒性能的測(cè)定

粉煤灰顆粒粒徑數(shù)量分布采用Mastersizer 3000馬爾文激光粒度分析儀(馬爾文儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)試，其礦物組成采用Ultima IV X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會(huì)社)進(jìn)行分析，顆粒形貌采用Sigma300掃描電子顯微鏡(卡爾·蔡司股份公司)進(jìn)行觀察，在水中的Zeta電位采用Zetasizer Nano Zs90納米粒徑電位分析儀(馬爾文儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 粉煤灰活性指數(shù)的測(cè)定

粉煤灰活性指數(shù)根據(jù)GB/T 1596—2017附錄C《粉煤灰強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法測(cè)定， 將標(biāo)準(zhǔn)配比的原料通過攪拌而形成的漿體注入長、 寬、 高為40 mm×40 mm×160 mm的長方體鋼模中成型，24 h后脫模，在溫度為(20±1)℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d，依據(jù)GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》測(cè)試試樣的抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)活性指數(shù)公式計(jì)算出活性指數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粉碎工藝制備的粉煤灰粒徑比較

對(duì)FA0、Z1、Z2、Q1和Q2等5個(gè)樣品進(jìn)行顆粒粒徑測(cè)試，同時(shí)依據(jù)GB/T 208—2014《水泥密度測(cè)定方法》測(cè)定粉煤灰密度，并按照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》測(cè)定粉煤灰需水量，結(jié)果見圖2、表3和表4。

圖2 不同粉碎工藝下粉煤灰的粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution diagram of fly ash under different crushing processes

從圖2、表3和表4可以看出，2種粉磨工藝制度下，粉煤灰原料中>65 μm顆粒被全部磨細(xì)，大于30 μm顆粒含量明顯減少，說明2種工藝對(duì)粉煤灰粗顆粒的磨細(xì)效果相當(dāng)。采用蒸汽動(dòng)能磨粉碎粉煤灰，其顆粒粒度隨分級(jí)輪轉(zhuǎn)速的增大而減小，顆粒粒度分布曲線也較為平滑，顆粒粒徑分布較窄。這是由于蒸汽動(dòng)能磨在粉碎的過程中，以過熱蒸汽為動(dòng)力介質(zhì)，不僅可以有效減少顆粒的相互團(tuán)聚，還可以帶動(dòng)粗顆粒相互碰撞粉碎，顆粒達(dá)到要求細(xì)度即被分級(jí)機(jī)分離，從而實(shí)現(xiàn)物料的高效粉碎和成品的規(guī)模化生產(chǎn)。采用球磨機(jī)粉碎粉煤灰，球磨時(shí)間從30 min增加到80 min，粉煤灰細(xì)顆粒含量雖然增多了，但粒徑在1～10 μm之間的細(xì)顆粒含量變化，并沒有蒸汽動(dòng)能磨制備的成品大。當(dāng)球磨時(shí)間超過80 min后，粉煤灰細(xì)顆粒含量只有略微的增多，變化幅度不大。這是因?yàn)榍蚰C(jī)筒體內(nèi)沒有分散介質(zhì)，粉煤灰顆粒相互團(tuán)聚，同時(shí)球磨是依靠鋼球與鋼球之間的碰撞力來實(shí)現(xiàn)物料粉碎，粉碎效率低[14]。

表3 不同粉碎工藝下粉煤灰的粒度分布表

表4 不同粉碎工藝下粉煤灰的物理性質(zhì)

2.2 不同粉碎工藝制備的粉煤灰礦物組成比較

對(duì)FA0、 Z1、 Z2、 Q1和Q2等5個(gè)樣品進(jìn)行礦物組成分析，其結(jié)果見圖3。

圖3 不同粉碎工藝下粉煤灰的礦物組成Fig.3 Mineral composition of fly ash under different crushing processes

從圖中可以看出， 粉煤灰含有莫來石、 石英等晶體礦物和大量的玻璃體。 從Z1和Z2、 Q1和Q2這2組可以看出， 粉煤灰中石英的含量(2θ在25 °～30 °之間)逐漸增多， 這是因?yàn)殡S著粒徑的減小， 粉煤灰中越來越多的球形玻璃微珠被粉碎， 更多被包裹的石英釋放出來。 Z2的粒徑與Q2相近， 但Z2中的莫來石的含量(2θ在30 °～40 °之間)高于Q2， 這是由于蒸汽動(dòng)能磨粉碎的超細(xì)粉煤灰粒徑小且分布均勻， 大的球形玻璃微珠基本都被粉碎， 更多的莫來石釋放出來。

2.3 不同粉碎工藝制備的粉煤灰顆粒形貌比較

蒸汽動(dòng)能磨和球磨機(jī)粉碎的粉煤灰的顆粒形貌見圖4。

a)FA0(放大200倍)b)Z1(放大200倍)c)Q1(放大200倍)d)Z2(放大1 000倍)e)Q2(放大1 000倍)圖4 不同粉碎工藝下粉煤灰的顆粒形貌Fig.4 Particle morphology of fly ash under different crushing processes

從圖中可以看出，粉煤灰原料(FA0)中含有的球形玻璃微珠最多,大小不一的玻璃微珠交錯(cuò)分布。在掃描電鏡200放大倍數(shù)下發(fā)現(xiàn)，由于Q1球磨時(shí)間較長，少量玻璃微珠被破碎，Z1中的玻璃微珠含量略大于Q1。在掃描電鏡1 000倍數(shù)下發(fā)現(xiàn)，蒸汽動(dòng)能磨制備的超細(xì)粉煤灰Z2的玻璃微珠基本都被破碎，只存在一些細(xì)小微珠，球磨機(jī)制備的超細(xì)粉煤灰Q2由于粒徑分布大，粉碎不完全，還有部分大的玻璃微珠未被粉碎，玻璃微珠含量略大于Z2，同時(shí)Z2中的小部分細(xì)顆粒為不規(guī)則的塊狀，大部分細(xì)顆粒趨向于規(guī)則的球狀，而Q2除去大顆粒和玻璃微珠，其粉碎而成的細(xì)顆粒大多為不規(guī)則的塊狀和針刺狀，小部分趨向于規(guī)則的球狀。這是由于蒸汽動(dòng)能磨是通過來自3個(gè)方向的過熱蒸汽來達(dá)到粉碎的目的，可以最大程度保留顆粒的球形度，而球磨卻只能通過鋼球的相互碰撞來實(shí)現(xiàn)粉碎，成品的球形度較低。

2.4 不同粉碎工藝制備的粉煤灰Zeta電位

采用Zetasizer Nano Zs90納米粒徑電位分析儀測(cè)定蒸汽動(dòng)能磨和球磨機(jī)粉碎的粉煤灰在水中的Zeta電位， 結(jié)果見表5。

表5 不同粉碎工藝下粉煤灰的Zeta電位

Zeta電位是反映顆粒之間排斥力或吸引力大小的度量。 通常Zeta電位絕對(duì)值越大， 其顆粒之間的靜電排斥力也就越大， 體系就越穩(wěn)定， 更容易溶解或分散， 反之則更容易凝聚(Zeta電位絕對(duì)值大于40 mV，視為體系穩(wěn)定性較好)。從表5中可以看出，粉煤灰的Zeta電位絕對(duì)值隨著粒徑的減小而增大，但其絕對(duì)值均小于40 mV，分散性較差；其中水泥Zeta電位為+3.3 mV，在水泥復(fù)合膠凝材料中會(huì)與帶負(fù)電荷的粉煤灰發(fā)生“異相凝聚”效應(yīng)，加快粉體間的團(tuán)聚[15]。

2.5 不同粉碎工藝制備的粉煤灰活性指數(shù)比較

將FA0、 Z1、 Z2、 Q1、 Q2分別等量替代質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硅酸鹽水泥，以相同的水膠比，根據(jù)GB/T 1596—2017附錄C《粉煤灰強(qiáng)度活性指數(shù)試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法測(cè)定粉煤灰的活性指數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 不同粉碎工藝下粉煤灰的活性指數(shù)

從表中可以看出，粉煤灰摻入會(huì)造成膠砂水泥強(qiáng)度的下降，摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的FA0組活性指數(shù)僅為85.9%。對(duì)比2種粉磨工藝制度下的得到的4組粉煤灰可知，隨著細(xì)度的增大，粉煤灰的活性明顯提高，摻入30%的Z2組活性指數(shù)可達(dá)104.5%，比FA0組的強(qiáng)度提高了21.7%，其規(guī)律并沒有因?yàn)榉鬯楣に嚭头鬯榻橘|(zhì)的不同而發(fā)生改變。由圖1、表3可知，Z1與Q1的中位粒徑相近，但由于球磨機(jī)的粉碎時(shí)間長，細(xì)顆粒即使團(tuán)聚也會(huì)部分粉碎，使得Q1中的細(xì)顆粒(<5 μm)相對(duì)比Z1中的多，其強(qiáng)度比Z1組略高2.2%；Z2的中位粒徑略小于Q2，由于蒸汽動(dòng)能磨粉碎的物料粒徑分布集中，Z2中細(xì)顆粒明顯多于Q2，其強(qiáng)度比Q2高出7.6%。

2.6 不同粉碎工藝能耗比較

選擇低成本、高效率的粉碎設(shè)備符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時(shí)，可以為企業(yè)節(jié)省能耗支出，帶來更大的收益。根據(jù)LNGS-80型蒸汽動(dòng)能磨的設(shè)備參數(shù)(總功率6.7 kW、蒸汽耗量72 kg/h)和生產(chǎn)情況，以及SM-500試驗(yàn)?zāi)?球磨機(jī))的設(shè)備參數(shù)(總功率1.5 kW)和生產(chǎn)情況，計(jì)算出生產(chǎn)1 t成品的標(biāo)煤總耗量，結(jié)果見表7、表8。

表7 蒸汽動(dòng)能磨的運(yùn)行參數(shù)

表8 球磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

其中，蒸汽動(dòng)能磨的蒸汽耗煤量如下：常溫常壓下1 kg、 20 ℃的水加熱到250 ℃的水蒸氣，需消耗標(biāo)煤(熱值為29 307 kJ/kg的煤炭)0.12 kg，計(jì)算過程共分為3個(gè)步驟：根據(jù)熱能公式(1)，20 ℃的水加熱到100 ℃的水需吸收的熱量Q=3.36×105J；100 ℃的水加熱到100 ℃的水蒸氣需吸收熱量Q=2.26×106J；100 ℃的水蒸氣加熱到250 ℃的水蒸氣需吸收熱量Q=2.93×105J，3個(gè)階段共吸收熱量2.889×106J?？紤]到燃煤鍋爐19%的熱量損耗[16]，所以每小時(shí)產(chǎn)生72 kg蒸汽需消耗8.6 kg標(biāo)煤，每小時(shí)風(fēng)機(jī)與分級(jí)機(jī)消耗電能6.7 kW，換算成標(biāo)煤為2.2 kg(1 kW·h=0.32 kg標(biāo)煤，下同)，共消耗10.8 kg。球磨機(jī)每小時(shí)消耗電能1.5 kW，換算成標(biāo)煤為0.5 kg。

Q=cmΔt,

(1)

式中：c為該物質(zhì)的比熱容；m為該物質(zhì)的質(zhì)量； Δt為物體溫度的變化量。

以超細(xì)粉煤灰中位粒徑在5 μm左右為例，根據(jù)貴州某工廠的LNGS-10T型蒸汽動(dòng)能磨的設(shè)備參數(shù)(總功率168 kW、蒸汽耗量10.92 t/h)及其制備的D50為5.11 μm的超細(xì)粉煤灰的生產(chǎn)情況，計(jì)算出生產(chǎn)1 t成品的標(biāo)煤總耗量，結(jié)果見表9。

一般1 t低品位過熱蒸汽的發(fā)電量為100 kW·h， 傳輸過程自身耗電7.8 kW·h[17]， 于是將蒸汽發(fā)電量92.2 kW·h/t折算成蒸汽能耗計(jì)入設(shè)備的總能耗中， 所以LNGS-10T型蒸汽動(dòng)能磨每小時(shí)使用10.9 t過熱蒸汽需消耗電能1 005 kW，換算成標(biāo)煤為321.6 kg，風(fēng)機(jī)與分級(jí)機(jī)消耗電能168 kW，換算成標(biāo)煤為53.8 kg，共消耗375.4 kg。

表9 蒸汽動(dòng)能磨的運(yùn)行參數(shù)

由表7、 8可以看出， 同種粉碎工藝下， 設(shè)備的能耗隨著粒徑的減小而明顯增大。 當(dāng)制備的粉煤灰中位粒徑在12 μm左右時(shí)， 蒸汽動(dòng)能磨的產(chǎn)量為球磨機(jī)的35倍， 其單位耗煤量只有球磨機(jī)的61.7%； 當(dāng)制備的粉煤灰中位粒徑在7 μm左右時(shí)，蒸汽動(dòng)能磨的產(chǎn)量為球磨機(jī)的15倍，其單位耗煤量是球磨機(jī)的143.6%，但是蒸汽動(dòng)能磨可以將粉煤灰粉磨至更細(xì)粒度，而球磨機(jī)將粉煤灰粉磨至7 μm左右就很難磨至更細(xì)。從表7、 9可以看出，由于LNGS-10T型蒸汽動(dòng)能磨使用了低品位過熱蒸汽，大大降低了生產(chǎn)成本，制備的成品在相同粒徑下，其單位耗煤量僅為LNGS-80型蒸汽動(dòng)能磨的22.9%。

3 結(jié)論

1)從粉煤灰的粒徑分布、礦物組成、顆粒形貌和Zeta電位可以看出，不同粒徑的磨細(xì)粉煤灰礦物組成和Zeta電位差異不大，其粒徑分布和顆粒形貌對(duì)其活性的影響更顯著。

2)粉煤灰的活性隨著粒徑的減少而明顯提高，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、D50為5.14 μm的超細(xì)粉煤灰，其活性指數(shù)可達(dá)104.5%。

3)蒸汽動(dòng)能磨制備的超細(xì)粉煤灰單位耗煤量與球磨機(jī)相近，但是蒸汽動(dòng)能磨的超細(xì)粉煤灰顆粒粒徑分布均勻，細(xì)顆粒的球形度更好，其活性也明顯高于球磨機(jī)制備的超細(xì)粉煤灰。